Прогнозируется, что количество подключенных IoT-устройств вырастет подскочит до 125 миллиардов к 2030 году. В это нетрудно поверить, поскольку глобальные расходы на Интернет вещей достигла 745 миллиардов долларов в 2019 году. На этом фоне разработчики электроники вынуждены оптимизировать конструкции, особенно когда речь идет о времени автономной работы.
В этой статье Данстан Пауэр (Dunstan Power), директор ByteSnap Design, предлагает взглянуть на ключевые моменты при проектировании систем беспроводной радиосвязи малой мощности.
Уравновешивание
Снижение энергопотребления устройства при попытке достичь желаемого уровня функциональности - один из наиболее сложных аспектов проектирования с низким энергопотреблением. Каждое успешное беспроводное устройство с низким энергопотреблением, доступное в настоящее время, является результатом успешного действия по уравновешиванию, когда разработчики взвесили свои приоритеты и пошли на ряд компромиссов, которые привели к созданию работающего устройства.
Проектирование программного обеспечения
Выбор системы, сделанный в начале проекта, определяет, чего можно достичь. Рекомендуется с самого начала проектировать систему с низким энергопотреблением, при этом в первую очередь следует учитывать тип развертываемой радиостанции. Выбор огромен: от радиостанций ближнего действия, таких как ZigBee, Thread, Bluetooth и Wi-Fi, до радиосистем дальнего действия с низким энергопотреблением, включая LoRa, SigFox и Weightless, а также систем сотовой радиосвязи.
Некоторые радиоволны распространяются намного лучше, чем другие, что означает повышенную энергоэффективность. Более низкие частоты имеют тенденцию распространяться лучше, чем более высокие частоты, но компромисс заключается в том, что потенциальная скорость передачи данных снижается. Более высокие частоты обычно покрывают меньшие расстояния, но имеют более высокую полосу пропускания и более высокие скорости передачи. Чем длиннее расстояние, которое необходимо преодолеть сигналам, тем меньше скорость, которую вы обычно можете использовать.
Также учитывайте топологию радиосистемы - это может повысить эффективность и скорость системы при правильном управлении. Топология «звезда» идеальна, когда ведущее устройство не питается от батареи и способно самостоятельно управлять сетевой нагрузкой. В качестве альтернативы, если все устройства маломощны, более подходящей может быть ячеистая сеть с несколькими ретрансляторами.
Выбор микроконтроллера обычно несложен, и разработчик обычно имеет семейство / производителя, с которым они знакомы. Большинство небольших процессоров в наши дни - на базе PIC, AVR, ARM - имеют режимы низкого энергопотребления, которые можно использовать для уменьшения мощности, необходимой во время работы. Они полагаются на прерывание, чтобы снова их разбудить. Многие из них также имеют систему быстрого пробуждения, чтобы свести время к минимуму и, таким образом, снизить потребляемую мощность.
Диапазон маломощных беспроводных устройств означает, что выбор батареи зависит от проекта. Однако, когда радиосистеме требуются нечастые всплески тока или батарею необходимо перезаряжать, варианты часто быстро ограничиваются.
Таблицы данных производителя аккумуляторов могут помочь, но большинство из них покажут кривые разряда аккумуляторов, основанные на постоянном потреблении тока и обычно при более высоком потреблении тока, чем будет использовать система с низким энергопотреблением. Чтобы выяснить, что произойдет в системе с низким энергопотреблением, необходимо использовать некоторую интерполяцию.
Кроме того, такие радиосистемы, как правило, используют минимальную мощность во время сна, а затем требуют больших импульсов тока во время бодрствования для приема и передачи. Некоторые батареи не подходят для этого.
Факторы окружающей среды также влияют на выбор батарей и их использование. Холодная окружающая среда снизит напряжение батареи и общий срок службы батареи устройства. Высокие температуры также могут отрицательно повлиять на некоторые батареи.
Следовательно, процесс выбора батареи является повторяющимся. Чтобы найти лучшего кандидата, стоит опробовать несколько типов, соответствующих спецификациям. В этой таблице представлены некоторые характеристики некоторых распространенных типов батарей:
Тип | Напряжение ячейки | Плотность энергии | Типичный диапазон температур нагнетания (°C) | Срок службы в режиме ожидания | Перезаряжаемый? | Максимальный ток |
Ли Ион | 3.6 | High | 0 – 50 | Низкий | Да | High |
Щелочной | 1.5 | High | -18 - 55 | High | Нет | Medium |
NiMH | 1.2 | Низкий | -20 - 65 | Низкий | Да | High |
Ли монетная ячейка | 3 | Низкий | -30 - 60 | High | Нет (обычно) | Низкий |
LiSoCl2 | 3 | High | -80 - 125 | Очень высоко | Нет | High |
После того, как выбор батареи сделан, необходимо определить точку отключения. Для систем со сверхнизким энергопотреблением в целом требуется особая осторожность с компонентами, производительность которых изменяется в зависимости от напряжения. Например, ЖК-дисплеи и светодиоды имеют батарейки, которые могут опуститься настолько, что исчезнет контраст или погаснут светодиоды. Для наилучшего взаимодействия с пользователем вы должны убедиться, что напряжение батареи, до которого вы работаете, достаточно для поддержания их в рабочем состоянии.
Если системе требуется входное напряжение (когда достигается точка отключения, когда в батареях еще остается полезная емкость – например, если система с номинальным напряжением 3 В отключается при напряжении 2.5 В), то может потребоваться повышающий регулятор. Однако при этом следует учитывать компромиссы:
· На какое напряжение должен быть установлен регулятор?
· Каков КПД регулятора и как он зависит от входного напряжения?
· Что происходит, когда входное напряжение превышает установленное, например, когда устанавливаются новые батареи?
· Сводит ли на нет мощность, потраченная регулятором впустую из-за неэффективности, прирост мощности?
· Может ли повышающий преобразователь полностью использовать емкость аккумулятора, разрядив его до напряжения, ниже которого система выключится?
Аппаратный дизайн
Сведите к минимуму подтягивания и другие советы по дизайну
Конструкция беспроводной радиосистемы с низким энергопотреблением требует внимания к деталям, которые легко игнорируются в устройствах, где энергопотребление не имеет значения.
В обычных системах с питанием от сети вам не нужно беспокоиться о таких элементах, как утечка тока через подтягивающие резисторы. В системах с низким энергопотреблением такое энергопотребление может стать проблемой. Вот где возможны некоторые компромиссы:
Настройте антенну
Даже если дальность действия важна при проектировании, не забудьте настроить антенну. При этом инженеры могут минимизировать мощность передачи, необходимую для достижения желаемого диапазона.
Отзывчивость и время пробуждения
Беспроводное устройство с низким энергопотреблением должно быстро перейти в «полезное» состояние. Время между прикосновением пользователя к экрану и ответом системы - это время, когда включена подсветка и потребляется энергия, что потенциально замедляет время отклика. Обычно есть один или несколько компонентов, предназначенных для пробуждения основного процессора, и простое выключение устройства не является полезным методом экономии заряда батареи.
Синхронизация
Многие маломощные радиоустройства связываются друг с другом для получения данных или инструкций. Чтобы это произошло, важно, чтобы получатель получил информацию. Оба конца должны быть синхронизированы и оставаться синхронизированными, но мы рекомендуем минимизировать использование приемника, необходимое для этого.
В системах, где обмениваются данными два устройства с батарейным питанием, оба переходят в режимы пониженного энергопотребления / сна для продления срока службы батареи. Таким образом, не гарантируется, что данные пройдут или будут получены неповрежденными, поэтому для борьбы с этим были разработаны различные протоколы, такие как обнаружение ошибок и подтверждения.
Остерегайтесь температурного дрейфа
Каждое активное устройство в системе использует определенные часы. Они могут изменяться в зависимости от температуры, а это означает, что важно учитывать факторы окружающей среды, которые могут привести к разнице во времени между активными устройствами. Очень важно учитывать дрейф при проектировании системы, поскольку он может привести к увеличению потребления энергии аккумулятором.
Сведите к минимуму мощность передачи
Не увеличивайте выходную мощность без надобности сверх того, что необходимо - если радиосвязь должна достигать только десяти метров, то выходная мощность 5 дБ вряд ли потребуется.
Короткие импульсы передачи
Когда передатчик включен, радиостанция с низким энергопотреблением находится в состоянии максимальной мощности. Поэтому есть смысл свести это к минимуму вовремя. Это означает уменьшение объема передаваемых данных.
Чтобы минимизировать время приема, основное внимание уделяется объему передаваемых данных и тому, с чем осуществляется связь. Если система должна быть включена постоянно, время n приемника можно свести к минимуму, поскольку инженер уже знает, что система включена и может передавать данные в любое время.
Обновление радиосистем
Есть два способа обновить радиосистему: вручную, что включает в себя вход в каждое устройство и обновление, и по воздуху (OTA), когда радиостанция сама обновляет код внутри устройства. Обновления OTA, как правило, намного более эффективны, однако есть повышенная вероятность того, что что-то пойдет не так. Поэтому отказоустойчивые устройства жизненно важны для обеспечения продолжения работы системы.
Пакетное тестирование
С маломощными устройствами, которые работают от батарей, вы можете работать чуть ниже предела производительности компонента. С активными устройствами, такими как полевые транзисторы, где вы полагаетесь на низкое падение напряжения, всегда будет разница в характеристиках устройства, которая может повлиять на производительность.
Пакетное тестирование целесообразно, чтобы убедиться, что любые изменения не нарушат работу устройства. Чтобы избежать проблем при массовом производстве, стоит смоделировать некоторые из более простых аспектов проектирования с помощью симулятора SPICE, например, экстремальные значения температуры и напряжения.
И помните - впечатления пользователей и ожидания являются жизненно важными факторами. Инженер может спроектировать систему с фантастически низким энергопотреблением, которая не удовлетворит конечного пользователя, потому что он может ожидать, что она будет реагировать намного быстрее, чем на самом деле. Именно здесь действительно происходит балансирование, но с доступными технологиями и опытными инженерами возможны компромиссы.
(Фото Мика Баумейстер on Unsplash)
Хотите узнать больше от руководителей и лидеров мысли в этой области? Узнайте больше о Цифровой двойственный мир Мероприятие, которое состоится 8–9 сентября 2021 года, на котором будет более подробно рассмотрено улучшение результатов бизнеса и отрасли, которые от этого выиграют.
Источник: https://iottechnews.com/news/2021/jun/17/saving-power-in-low-power-wireless-radio-systems/
- 2021
- Учетная запись
- активный
- Все
- антенна
- гайд
- батареи
- аккумулятор
- ЛУЧШЕЕ
- миллиард
- Bluetooth
- доска
- бизнес
- Кембридж
- Пропускная способность
- клиентов
- код
- Монета
- Общий
- потребление
- продолжать
- Текущий
- данным
- Проект
- дизайнер
- обнаружение
- застройщиков
- Устройства
- директор
- расстояние
- Падение
- затрат
- Electronics
- окончания поездки
- инженер
- Проект и
- Инженеры
- Окружающая среда
- окружающий
- События
- руководителей высшего звена.
- БЫСТРО
- фигура
- First
- соответствовать
- Фокус
- FPGA
- Общие
- Глобальный
- High
- Как
- HTTPS
- В том числе
- Увеличение
- промышленности
- промышленность
- информация
- размышления
- КАТО
- несколько устройств
- IT
- Основные
- большой
- вести
- уровень
- Ограниченный
- LINK
- загрузка
- ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
- Сетчатая сеть
- сеть
- Предложения
- операционный
- Опции
- заказ
- Другие контрактные услуги
- Другое
- производительность
- мощностью
- давление
- Производство
- Проект
- Радио
- ассортимент
- уменьшить
- ответ
- экономия
- экран
- смысл
- Серии
- набор
- Короткое
- имитатор
- Замедление
- небольшой
- So
- Space
- скорость
- Расходы
- Область
- оставаться
- успешный
- поддержка
- Коммутатор
- система
- системы
- технологии
- Тестирование
- время
- путешествовать
- Университет
- Обновление ПО
- Updates
- Длины волн
- Что такое
- Wi-Fi
- беспроводной
- в
- Работа
- стоимость